Исследователи БФУ им. И. Канта создают наноматериал, применимый в приборостроении, авиационной и ракетно-космической промышленности

Исследователь БФУ им. И. Канта Дмитрий Серебренников получил в январе 2019 года патент на изобретение в области физики «Композитные инварные материалы нового типа». Разработка материалов, совмещающих инварные и функциональные свойства, является актуальной тематикой в приборостроении, радиоэлектронной технике, авиационной и ракетно-космической промышленности.

Ученый пояснил, что, как правило, большинство металлов расширяются при нагревании, однако существуют соединения, которые практически не меняют своих размеров в определенном диапазоне температур. Подобный материал получил название «инвар». За его открытие швейцарско-французский исследователь Шарль Гийом получил Нобелевскую премию по физике еще в 1920 году. Эти материалы сразу нашли свое применение во множестве различных приложений (например, для изготовления высокоточных механических часов). При этом какими-либо другими уникальными физическими свойствами, например электронными или магнитными, они не обладают. В свою очередь, функциональные материалы зачастую обладают очень высоким тепловым расширением, что для ряда приложений является существенной проблемой.

«Решить задачу позволяет создание композитного материала, состоящего из функционального материала и частиц другого вещества с существенно меньшим коэффициентом теплового расширения. Идея не является новой, а в качестве описанных частиц чаще всего используются различные керамики. Уникальность полученного патента заключается в предложенных материалах, предназначенных для компенсации теплового расширения функционального материала, а именно — валентно-нестабильных соединениях с отрицательным тепловым расширением. В отличие от простых металлов, данные соединения сжимаются при нагревании. Из школьного курса химии известно, что химические элементы в соединениях имеют определенную валентность, где показатель всегда является целочисленным (например, 2+; 3-). В простых соединениях валентность всегда является целочисленной, однако в исследуемых системах валентность оказывается нецелочисленной и более того оказывается температурно-зависимой, а обусловлено все это законами квантовой механики, сильными зарядовыми и спиновыми флуктуациями, что и вызывает интерес со стороны фундаментальной науки. Данная особенность обуславливает аномальное отрицательное тепловое расширение, величиной которого можно частично управлять (например, путем химического замещения). Таким образом, эти соединения — идеальные кандидаты для создания композитных инварных материалов», — пояснил молодой ученый.

Над исследованием Дмитрий Серебренников работал будучи аспирантом на протяжении четырёх лет совместно с заведующим Лабораторией сильнокоррелированных электронных систем БФУ им. И. Канта Евгением Клементьевым и профессором НИЦ «Курчатовский Институт» и НИЯУ МИФИ Павлом Алексеевым. Отметим, что деятельность Лаборатории сильнокоррелированнных электронных систем направлена на исследования в области фундаментальной физики конденсированного состояния.

Дмитрий Серебренников:

«Это большая удача, что системы, представляющие интерес для фундаментальной физики, находят также и практическое применение. Поскольку мы работаем с системами с сильными электронными корреляциями, это главным образом фундаментальная наука. В фокусе нашего внимания была физика валентно-нестабильных соединений, их аномальные свойства. В ходе экспериментов мы прибегали к спектроскопии поглощения рентгеновского излучения XANES, позволяющей оценивать величину валентности в промежуточно-валентных соединениях, а также рентгеновской дифракции XRD, при помощи которой измеряются температурные зависимости параметра кристаллической решетки. Тестовые композиты, полученные в БФУ им. И. Канта, были выполнены на основе гексаборида самария SmB6 и Al методом холодного прессования. Внешне композит выглядит как обычный металл с вкраплениями черного порошка (SmB6)».

На сегодняшний день перед учеными БФУ им. И. Канта стоят новые задачи в рамках исследования — синтезирование различных композитов, поиск методов формирования композитов и оптимизация этого процесса. После чего планируется провести исследования термодинамических свойств полученных прототипов, а также продолжить работу в рамках фундаментальных исследований.

Результаты исследования частично опубликованы в статье научного журнала «Journal of Magnetism and Magnetic Materials», который входит в первый квартиль базы Scopus и второй квартиль базы Web of science. Журнал имеет международный статус и публикует научные статьи, посвященные исследованиям в области магнетизма. В работе описывается исследование валентно-нестабильных систем с отрицательным тепловым расширением, используемым в композитных инварных материалах. В частности, анализируется, как именно влияет на тепловое расширение системы химическое замещение части ионов с нецелочисленной валентностью на ионы с целочисленной валентностью. Предложен метод, способный количественно оценить аномальный отрицательный магнитный/электронный вклад в тепловое расширение и предугадывать тепловое расширение системы при том или ином химическом составе.